本发明专利技术属于二氧化钛光催化和太阳能电池技术领域，具体为一种碳氮共掺杂TiO2纳米催化材料的制备方法。该方法所用的原料为纳米氮化钛粉体，主要设备是管式炉，具体步骤为：把TiN粉末置于瓷舟中，先在空气中400~600℃下退火0.5-2.5h，制得N掺杂的纳米TiO2粉体；然后，向管式炉中通入CO气体，将管式炉密封，CO气氛中400~600℃下退火0.5-2.5h，制得C、N共掺杂的TiO2光催化剂。本发明专利技术制备的C-N共掺杂的TiO2对亚甲基蓝表现出良好的光催化降解活性，光催化制氢的活性也高于通过热处理TiN得到的单掺杂N的TiO2的活性；用于制作染料敏化太阳能电池，其能量转换效率也高于利用P25制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于二氧化钛光催化和太阳能电池
，具体涉及一种制备碳氮共掺杂纳米二氧化钛光催化材料的方法。
技术介绍
随着能源危机以及环境污染、温室效应和臭氧层破坏等问题日益突出，太阳能因其清洁、无污染等特点而成为一种理想的新能源备受关注。自从1972年Fujishima和 Honda ]发现了 TiO2半导体可在紫外光照下将水光解成H2和仏以来，半导体光催化研究因其在能源与环境等方面的应用而得到长期重视。染料敏化太阳能电池也是太阳能利用的途径之一。染料敏化太阳能电池是由光阳极，电解质和对电极组成的一种“三明治”结构，TiO2光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分直接影响着染料敏化太阳能电池的效率。TiO2无毒、活性高、便宜、耐光腐蚀、耐强酸、强碱等特点而成为应用前景最好的光催化剂。TiO2在光催化降解，光催化制氢，染料敏化太阳能电池等方面都有广泛的应用前景，但TW2的禁带宽度较大(3. 2eV)，只有波长小于387 nm的紫外光才能激发TW2产生导带电子和价带空穴对而引发光催化反应，极大的限制了其应用范围。为了提高太阳光的有效利用，对TW2进行掺杂、修饰以扩展其光响应范围从而提高其光催化活性已成为目前 TiO2光催化领域最具挑战性的研究课题之一。TW2的掺杂可分为非金属掺杂(C、N、B、S、 Si等)、金属掺杂(Fe，W, Cr等)、非金属共掺杂(C-N，C-S等)以及金属与非金属共掺杂 (Si-ff, !^e-C等)等。对TiO2进行掺杂改性，减小其禁带宽度，增强TiO2的可见光响应，更有利于激发态的染料分子的电子注入T^2的导带，抑制电子空穴对的复合。Asahi等]报道了 N掺杂的TiO2具有可见光响应，并提出非金属掺杂影响 TiO2 能带原理，对 TiO2 的进行非金属(如 C ，]、N , , ], S , ],B ]等)掺杂研究成为研究热点，共掺杂由于掺杂原子的协同效应， 可以进一步提高TiO2的光催化活性。我们在前文中利用较昂贵的TiCN，通过热处理TiCN 制备了 C-N共掺杂的TiO2]。Li等]用溶胶-凝胶法制备了 B-N共掺杂的 TiO2,结果表明其可见光活性要好于单掺N的Ti02。Lin等]也用溶胶-凝胶法制备了 P-N共掺杂的TiO2,研究发现共掺杂的光催化活性相比单掺杂的有进一步的提高。 Cong等]通过微乳液-水热法合成了 C-N共掺的TiO2纳米颗粒，Chen等] 用溶胶-凝胶法合成了 C-N共掺的Ti02。但是已报道的这些制备方法相对比较复杂。本专利技术提出一种新的制备C-N共掺杂的TW2的简单方法，即通过在CO气氛中热处理TiN得到C-N共掺杂的Ti02。实验结果表明，热处理氧化TiN得到的C-N共掺杂的TW2对亚甲基蓝表现出良好的光催化降解活性，光催化制氢的活性也高于通过热处理TiN得到的单掺杂N的TW2的活性，同时利用本专利技术得到的C-N共掺杂的TiO2样品制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率也高于利用P25制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种工艺简单、所得材料催化活性好的制备CN共掺杂纳米二氧化钛材料的方法。本专利技术提出的制备CN共掺杂纳米二氧化钛材料的方法，所用的原料为纳米氮化钛(TiN)粉体，主要设备是管式炉，通过在CO气氛中热处理氧化的方法制备C-N共掺杂纳米二氧化钛。具体步骤为把一定量的黑色TiN粉末置于管式炉瓷舟中，向管式炉中通入CO气体，将管式炉密封， CO气氛中40(T600°C下退火0. 5-2. 5 h，制得C、N共掺杂的TW2光催化剂。所制得的样品用CN-Ti02-x-y表示，χ代表退火温度，y代表退火时间。所制得的样品的颜色随退火温度的升高由淡灰黑色变为浅黄色，其中CN-Ti02-400为淡灰黑色， CN-Ti02-5 50 和 CN-Ti02-600 为浅黄色。实验表明，由本专利技术方法制备的碳氮共掺杂的二氧化钛具有光催化制氢活性。 550°C退火得到的C、N共掺杂的TiO2光解水产氢活性最高，光照80 min内产氢速率为 0.059 μπιο .rnirT1,大于商品P25的产氢速率0. 038 μ mol .mirT1,也大于由热处理TiN粉末得到的单掺杂N的TW2的光解水产氢活性(0. 044 μ mol · mirT1)。光催化测试结果表明，由本专利技术方法制备的碳氮共掺杂TiO2具有明显的光催化降解亚甲基蓝的活性，可在光催化降解有机污染物方面得到应用。此外，利用本专利技术制备的样品制作染料敏化太阳能电池，其能量转换效率(3. 31%) 高于单掺N的TiO2的(2. 44%)以及未掺杂样品(P25)的效率(1.61%)。附图说明图1为本专利技术提出的CN共掺杂TiO2的制备过程示意图。图2为本专利技术制备的C N-TiO2以及N-TW2的谱比较。㈧样品的XRD谱， a =TiN, b :CN-Ti02-600-2. 5h, c :N-Ti02-600_2. 5h ； (B)焙烧温度对 CN-TiR 样品的影响， a :TiN, b CN-Ti02-450-2. 5h, c :CN-Ti02-5 50_2· 5h, d CN-Ti02-600_2· 5h, ) A :锐钛矿 TiO2, R :金红石 TiO2, N =TiN。图3为样品C N-Ti02-5 50 (B)和N-Ti02_550 (A)的扫描电镜照片。图4为样品P25 (a)以及N-Ti02_450 (b)和CN-Ti02_450 (c)的紫外-可见漫反射光谱。图 5 为 CN-Ti02-450 样品中 Cls (A)和 Nls (B)的 XPS 谱图。图6 为在紫外-可见光照下 P25 及 N-Ti02-5 50、CN-Ti02_550 在 Nii2S-Na2SO3 体系中的光催化分解水产氢量比较。图7为紫外光(C)和可见光照(B)下P25及N_Ti02、C N-TiO2光催化降解亚甲基蓝活性比较。图8为基于本专利技术的样品制作的染料敏化太阳能电池的光电流-电压曲线(C N 共掺杂TiO2, N掺杂TiO2和纯TiO2光阳极)。具体实施例方式4 下面通过实施例进一步描述本专利技术。实施例1 把一定量的黑色TiN粉末(例如粒径30-80 nm)置于瓷舟中，放入管式炉中，6001下退火2.5 h，制得N掺杂的纳米TiO2粉体。管式炉在热处理前，向管式炉中以一定流速(如0.1 L/min)通CO气体一定时间(如IOmin)后，将管式炉密封。在一氧化碳气氛中，同样600°(温度范围内退火2.5 h，制得C、N共掺杂的纳米TiO2粉体。从图2 (A ) 的XRD图可看出，热处理后TiN特征峰消失，出现锐钛矿型的TW2特征峰，说明单纯热处理 TiN或在CO气氛中热处理TiN，均可得到纳米TiO2粉体，相对于单掺杂N的样品，CN共掺杂锐钛矿的峰位置左移，同时金红石的峰高度降低，表明CN共掺杂可以抑制锐钛矿相向金红石相的转变。所得样品的形貌如图3 (B)所示。实施例2 把一定量的黑色TiN粉末置于瓷舟中，放入管式炉中，450°C下退火2. 5 h，制得N掺杂的纳米TiO2粉体。在热处理前，向管式炉中以0.1 L/min的流速通CO气体 IOmin后，将管本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：崔晓莉，孙明轩，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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